張英杰，楊新文，湯兆年

(1.同濟(jì)大學(xué) 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

在國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的指導(dǎo)下，城市軌道交通運(yùn)營里程不斷增多。隨著人民生活水平的不斷提高，車內(nèi)噪聲問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了乘客的乘坐舒適性，成為各城市軌道交通運(yùn)營部門亟待解決的問題。在國際上，噪聲已經(jīng)被列為七大環(huán)境公害之一，針對(duì)軌道交通噪聲輻射規(guī)律、產(chǎn)生原因、傳播途徑與控制方法以及對(duì)人體的危害等研究也已經(jīng)展開。

目前我國地鐵的運(yùn)營速度通常在30～110 km/h，在這一速度區(qū)段內(nèi)，車廂內(nèi)的噪聲來源主要為輪軌噪聲[1]。輪軌噪聲主要是由于輪軌相互作用產(chǎn)生高頻振動(dòng)引起的，輪軌表面粗糙度是引起地鐵車內(nèi)噪聲異常的重要原因。由于地鐵運(yùn)行密度較大、線路條件比較復(fù)雜、列車頻繁啟動(dòng)及制動(dòng)等實(shí)際狀況，使得各城市的地鐵線路內(nèi)均出現(xiàn)了嚴(yán)重的鋼軌波浪形磨耗(簡(jiǎn)稱“鋼軌波磨”)。鋼軌波磨是鋼軌軌頂沿縱向表面出現(xiàn)的具有周期性和波浪形特征的不平順現(xiàn)象。針對(duì)地鐵中鋼軌波磨的狀態(tài)和車內(nèi)噪聲輻射問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。劉維寧 等[2]針對(duì)北京地鐵的波磨現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)280～400 Hz的異常噪聲主要是由于鋼軌波磨引起的。Zhao et al.[3]研究發(fā)現(xiàn)，通過打磨鋼軌可以使地鐵車內(nèi)噪聲(A計(jì)權(quán)聲壓級(jí))降低3～4 dB。陳迅 等[4]發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲的顯著頻率與波磨通過頻率一致。張凱軒 等[5]通過鋼軌打磨前后的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)打磨后輪軌噪聲顯著頻段幅值明顯降低。陳卓[6]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)波長為25.6～51.2 mm的波磨是地鐵車內(nèi)噪聲超標(biāo)的主要原因。郭建強(qiáng) 等[7]對(duì)地鐵司機(jī)室內(nèi)的噪聲進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了3個(gè)司機(jī)室車內(nèi)噪聲顯著的頻率為295 Hz、359 Hz以及441 Hz，并通過仿真分析得出，隨著鋼軌粗糙度幅值的增加，司機(jī)室車內(nèi)噪聲也隨之增加。

地鐵車內(nèi)噪聲與鋼軌波磨之間的關(guān)系研究也取得了一些收獲，但各城市的軌道結(jié)構(gòu)和車輛運(yùn)營條件均不同，導(dǎo)致地鐵車內(nèi)噪聲與鋼軌波磨的關(guān)系很難獲得共性結(jié)論，因此非常有必要進(jìn)行研究。本文將針對(duì)某既有運(yùn)營地鐵線路，進(jìn)行鋼軌波磨與運(yùn)營車輛車內(nèi)噪聲的測(cè)試和理論仿真分析，通過頻譜分析其二者之間的關(guān)系，為城市軌道交通減振降噪和工務(wù)養(yǎng)護(hù)管理提供理論參考。

1 試驗(yàn)方法

選取上海某既有運(yùn)營地鐵線路，分別對(duì)其鋼軌波磨情況和運(yùn)營時(shí)的車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)量。圖1所示為維護(hù)天窗期內(nèi)對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行測(cè)試，利用CAT4波磨小車進(jìn)行測(cè)量，該小車測(cè)試精度為1 m 500個(gè)點(diǎn)，機(jī)械接觸式采集。

對(duì)車內(nèi)噪聲的測(cè)試選擇在日常列車的運(yùn)營過程中。根據(jù)GB 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測(cè)量方法》5.6.2規(guī)定[8]，在客室內(nèi)測(cè)量時(shí)，傳聲器應(yīng)置于客室縱軸中部，距地板高度1.2 m的位置。因此分別在車頭、車尾的車廂規(guī)定位置處布設(shè)了噪聲測(cè)量裝置，圖2展示了車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)布置情況。測(cè)試裝置采用INV3800系列手持聲學(xué)測(cè)試儀。

圖1 鋼軌波磨測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖

考慮到實(shí)際運(yùn)營過程中，列車啟動(dòng)階段和制動(dòng)階段的主要噪聲源并非輪軌噪聲。相關(guān)研究表明，當(dāng)列車速度超過35 km/h時(shí)，車內(nèi)噪聲的主要來源為輪軌噪聲[9]；而波磨測(cè)試區(qū)段均在區(qū)間中段。因此，車內(nèi)噪聲測(cè)試在列車運(yùn)行速度達(dá)到50 km/h以上時(shí)進(jìn)行。圖3為列車運(yùn)營時(shí)車內(nèi)噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。

圖3 列車運(yùn)營時(shí)車內(nèi)噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

2.1 鋼軌波磨測(cè)試數(shù)據(jù)處理

軌面短波不平順測(cè)試數(shù)據(jù)在里程域(時(shí)域)上具有隨機(jī)性，通過頻域分析可以更直觀地表現(xiàn)其特征。因此，將測(cè)試的鋼軌波磨里程域數(shù)據(jù)進(jìn)行水平譜(粗糙度譜)轉(zhuǎn)換，并采用1/3倍頻程來表現(xiàn)。根據(jù)測(cè)試區(qū)間內(nèi)鋼軌短波不平順?biāo)阶V，引入鋼軌短波不平順?biāo)阶V標(biāo)準(zhǔn)(ISO 3095：2005《鐵路應(yīng)用 聲學(xué) 軌道車輛發(fā)出的噪聲測(cè)量》)作為參考的標(biāo)準(zhǔn)。如果測(cè)試鋼軌短波不平順?biāo)阶V曲線在標(biāo)準(zhǔn)線下方，則認(rèn)為該波長段的不平順幅值低于ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)的幅值，線路鋼軌狀態(tài)良好；反之則認(rèn)為超過ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)的幅值，線路鋼軌狀態(tài)惡劣。

2.2 車內(nèi)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)處理

通過測(cè)試得到噪聲的時(shí)域曲線和波形，噪聲信號(hào)在時(shí)域上是離散的，但在頻域上則是周期的，因此通過離散傅里葉變換將噪聲的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制出噪聲頻譜圖進(jìn)行頻譜分析。在進(jìn)行車內(nèi)噪聲動(dòng)態(tài)測(cè)試之前，先測(cè)試列車在靜止條件下的車內(nèi)背景噪聲，而后對(duì)各測(cè)試區(qū)間分別進(jìn)行車內(nèi)噪聲測(cè)試。針對(duì)地鐵車內(nèi)噪聲來源多樣的問題，本文結(jié)合噪聲疊加原理，考慮到車內(nèi)噪聲來源復(fù)雜，難以達(dá)到同方向、同頻率、相位差恒定的干涉條件。因此認(rèn)為車內(nèi)噪聲均不相干。根據(jù)聲壓級(jí)計(jì)算公式以及噪聲疊加原理，可得到下列計(jì)算公式：

Lp1=10lg(100.1Lp-100.1Lp2)

(1)

式中：Lp1——輪軌噪聲；

Lp2——車內(nèi)其他來源噪聲；

Lp——車內(nèi)總聲壓級(jí)。

下面結(jié)合式(1)對(duì)車內(nèi)所測(cè)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜處理。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 鋼軌波磨測(cè)試分析

對(duì)軌面短波不平順測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行2.1節(jié)中所述處理，得到各區(qū)段鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。引入ISO 3095：2005鋼軌短波不平順?biāo)阶V標(biāo)準(zhǔn)，本文選取其中2個(gè)區(qū)段進(jìn)行分析說明。

圖4為區(qū)段1鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。由圖4可知，該區(qū)段左軌具有嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象，主要在波長31.5 mm和10 mm處出現(xiàn)峰值。而右軌的波磨程度則較輕，僅在波長為10 mm處出現(xiàn)峰值。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，波長為10 mm的峰值是由于鋼軌接頭所引起[11]，因此該區(qū)段主要的波磨波長為31.5 mm左右。圖5為區(qū)段2鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜。由圖5可知，該區(qū)段左右軌均有較為嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象，且左軌更加嚴(yán)重。主要的峰值出現(xiàn)在波長為200 mm、40 mm和10 mm附近。同樣，波長為10 mm的峰值是由鋼軌接頭引起。故該區(qū)段主要的波磨波長為200 mm和40 mm左右。

圖4 區(qū)段1鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜

圖5 區(qū)段2鋼軌表面粗糙度1/3倍頻程波長譜

按照同樣的處理方法，對(duì)其他所測(cè)各區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)其波長譜峰值處對(duì)應(yīng)的波長，表1統(tǒng)計(jì)了各測(cè)試區(qū)段鋼軌粗糙度特征波長。

表1 各測(cè)試區(qū)段鋼軌粗糙度特征波長 mm

由表1可知，測(cè)試線路各區(qū)段均普遍出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象，而特征波長主要集中在3個(gè)范圍內(nèi)，分別為：160～200 mm、30～50 mm和10 mm左右。

3.2 車內(nèi)噪聲測(cè)試分析

圖6為區(qū)段1車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果，根據(jù)GB 14892—2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的83 dB車內(nèi)噪聲限值，由圖6可見，除加速和制動(dòng)階段，由于列車速度較慢導(dǎo)致車內(nèi)噪聲較低外，大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)車內(nèi)噪聲均遠(yuǎn)超過了噪聲限值。

圖6 區(qū)段1車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)中所述噪聲數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)噪聲的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，再按公式(1)對(duì)各頻段的噪聲進(jìn)行除雜處理，得到噪聲的頻譜圖。圖7為區(qū)段1車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜圖。

圖7 區(qū)段1車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜圖

由圖7可見，車內(nèi)噪聲在100 Hz以下的頻段內(nèi)無太大差異；在2 000 Hz以上的頻段內(nèi)，運(yùn)營中和到站后趨勢(shì)基本一致；在100～2 000 Hz的頻段內(nèi)，運(yùn)營中的車內(nèi)噪聲具備一定的特征，尤以800 Hz前后最為顯著。

按照同樣的處理方法對(duì)所測(cè)各區(qū)段噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表2給出了各測(cè)試區(qū)段車內(nèi)噪聲顯著頻率。

表2 各測(cè)試區(qū)段車內(nèi)噪聲顯著頻率 Hz

由表2可以看出，測(cè)試線路各區(qū)段的車內(nèi)噪聲顯著頻率普遍在400～800 Hz。

3.3 車內(nèi)噪聲異常原因分析

由3.1節(jié)和3.2節(jié)的分析可知，該線路波磨的特征波長主要集中在3個(gè)區(qū)段。其中，10 mm波長已被證明為鋼軌接頭導(dǎo)致，不會(huì)對(duì)車內(nèi)噪聲產(chǎn)生太大影響。因此，引起車內(nèi)噪聲異常的特征波長為30～50 mm或160～200 mm。根據(jù)公式λ=v/f，結(jié)合地鐵實(shí)際運(yùn)營速度，可初步斷定波長為30～50 mm的波磨是引起地鐵車內(nèi)噪聲異常的主要原因。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，本文利用WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。該軟件是我國自主開發(fā)的主要用于輪軌滾動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的軟件，其有效性經(jīng)過了大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，完全可以用來分析本文鋼軌波磨引起的輪軌噪聲。WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析軟件通過輸入輪軌粗糙度和所需分析的運(yùn)行車速等條件，即可得出頻域輪軌相互作用力、車輪與鋼軌聲功率以及ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定場(chǎng)點(diǎn)的聲壓值1/3倍頻曲線與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。針對(duì)本文現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，將測(cè)得的區(qū)段1實(shí)際鋼軌波磨情況輸入仿真軟件，近似認(rèn)為車輪光滑，定義地鐵運(yùn)行速度為80 km/h，計(jì)算得到了距離輪軌接觸點(diǎn)橫向7.5 m、高1.2 m處(M1點(diǎn))噪聲特征情況(圖8)。

圖8 WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析軟件

由圖8可知，WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析軟件得到的特征頻率與實(shí)際測(cè)試所得的顯著頻率基本一致，證明該軟件具備一定的準(zhǔn)確性和參考價(jià)值。

為進(jìn)一步驗(yàn)證引起車內(nèi)噪聲異常的波磨波長范圍，本文分別設(shè)置了無特征波長(ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)值)、只有30～50 mm特征波長和只有160～200 mm特征波長的3種軌道粗糙度情況，在其他條件完全相同的情況下，應(yīng)用WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析軟件依次進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所得A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 WRNOISE輪軌噪聲預(yù)測(cè)分析軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖9可知，在只有160～200 mm特征波長的軌道上的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與無特征波長軌道只差0.03 dB，而只有30～50 mm特征波長的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)超過其他兩組5 dB。可見，30～50 mm波長對(duì)輪軌噪聲的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于160～200 mm。因此，造成地鐵車內(nèi)噪聲異常的鋼軌波磨波長主要集中在30～50 mm。

3.4 短波波磨水平與車內(nèi)噪聲水平關(guān)系探究

前面已經(jīng)證明30～50 mm波長的波磨會(huì)引起車內(nèi)噪聲的異常，且該波長范圍內(nèi)的波磨波幅越大，車內(nèi)噪聲越大。為進(jìn)一步確定二者關(guān)系，利用等效連續(xù)A聲級(jí)作為衡量車內(nèi)噪聲水平的依據(jù)；以各區(qū)段30～50 mm范圍內(nèi)的顯著波長作為衡量對(duì)象，以其超過ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)的值為該區(qū)段短波長波磨水平。

等效連續(xù)A聲級(jí)(下文用“Leq”代表)，即采用聲能在同一時(shí)間段內(nèi)平均的方法來求得該等效聲級(jí)。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)反映了噪聲的客觀強(qiáng)度與頻率這2個(gè)因素在人主觀上引起的感受，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)越高，噪聲引起的危害越大。Leq計(jì)算公式如下：

(2)

式中：LPA——某時(shí)刻t的瞬時(shí)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，dB；

t——時(shí)間，s。

根據(jù)上述方法對(duì)各區(qū)段短波波磨水平和車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行計(jì)算，利用最小二乘法進(jìn)行兩者的關(guān)系擬合，得到二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10所示。

圖10 短波波磨水平與車內(nèi)噪聲水平關(guān)系曲線

擬合關(guān)系式為：

Leq=77.131 2e0.010 4x

(3)

式中：x——短波波磨水平，dB。

4 鋼軌短波波磨打磨限值研究

根據(jù)前文的研究發(fā)現(xiàn)，30～50 mm波長是造成地鐵車內(nèi)噪聲異常的主要原因。因此，抑制該波長范圍內(nèi)波磨的發(fā)展是控制車內(nèi)噪聲的直接方法[10]。目前鋼軌打磨是減緩鋼軌波磨最普遍的措施。但由于鋼軌打磨工作量大、效率不高，地鐵公司的人力物力有限，不能及時(shí)地對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨。而且，頻繁地打磨鋼軌會(huì)大大降低鋼軌壽命，增大運(yùn)營成本。同時(shí)，現(xiàn)行工務(wù)管理制度沒有對(duì)鋼軌打磨限值做出明確規(guī)定，因此制定一套合理的鋼軌打磨限值標(biāo)準(zhǔn)是非常有必要的。

在ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)中，超過不平順?biāo)綐?biāo)準(zhǔn)值6 dB則建議打磨，如圖11所示[12]。在GB 14892—2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，地鐵車廂內(nèi)噪聲限值為83 dB，由于標(biāo)準(zhǔn)中的噪聲限值是在車廂內(nèi)人員小于4人的情況下測(cè)定，而在實(shí)際運(yùn)營期內(nèi)測(cè)試，需考慮乘車人員對(duì)噪聲聲壓級(jí)的影響，因此將噪聲限值適當(dāng)提高1～2 dB。

綜上，對(duì)30～50 mm短波波磨的打磨限值制定為：

(1) 當(dāng)車內(nèi)噪聲小于85 dB時(shí)，不平順?biāo)匠^標(biāo)準(zhǔn)值的量小于6 dB，鋼軌無需打磨；

(2) 當(dāng)車內(nèi)噪聲小于85 dB時(shí)，不平順?biāo)匠^標(biāo)準(zhǔn)值的量大于6 dB小于9 dB，鋼軌建議打磨；

(3) 當(dāng)車內(nèi)噪聲大于85 dB時(shí)，不平順?biāo)匠^標(biāo)準(zhǔn)值的量大于9 dB，鋼軌需盡快打磨。

以上制定的打磨限值是在地鐵運(yùn)營期間進(jìn)行測(cè)試時(shí)的參照標(biāo)準(zhǔn)。若在空車情況下測(cè)試，需對(duì)上述噪聲標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低，可參考GB 14892—2006標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)鋼軌波磨限值

5 結(jié)論

本文對(duì)某線路不同區(qū)段的鋼軌波磨情況、運(yùn)營期間的車內(nèi)噪聲情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，經(jīng)過測(cè)試數(shù)據(jù)處理得到了鋼軌表面粗糙度的1/3倍頻程波長譜、車內(nèi)噪聲的1/3倍頻程頻譜和等效連續(xù)A聲級(jí)。通過對(duì)比鋼軌短波波磨與車內(nèi)噪聲的特性，得到了鋼軌短波波磨對(duì)車內(nèi)噪聲的影響水平，并得出了如下結(jié)論：

(1) 該線路鋼軌在波長30～50 mm和160～200 mm范圍內(nèi)的波磨普遍較為嚴(yán)重，大部分區(qū)段均超過了ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。該線路運(yùn)營期間的車內(nèi)噪聲也普遍超過了我國規(guī)定的限值(83 dB)，且噪聲的顯著頻率為400～800 Hz，尤以630 Hz和800 Hz最為突出。

(2) 波長為30～50 mm的鋼軌短波波磨是引起車內(nèi)噪聲異常的主要原因，故而控制短波波磨的發(fā)展是降低車內(nèi)噪聲的重要途徑。結(jié)合測(cè)試和仿真結(jié)果，得出了鋼軌短波波磨水平與車內(nèi)噪聲的等效連續(xù)A聲級(jí)具有指數(shù)型對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3) 針對(duì)鋼軌短波波磨對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，提出了30～50 mm短波波磨打磨限值，當(dāng)不平順?biāo)匠^ISO 3095：2005標(biāo)準(zhǔn)值的量小于6 dB時(shí)無需打磨；大于6 dB小于9 dB時(shí)建議打磨；超過9 dB時(shí)應(yīng)盡快打磨。